光纤与非对称波导耦合效率数值仿真研究

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1、本科毕业论文院系：信息工程学院专业：通信工程班级：08通信本作者：小马哥指导教师：宋子豪完成时间：2012年4月光纤与非对称波导耦合效率数值仿真研究摘要基于光波的折反射定律和衍射理论，利用蒙特卡罗方法[1]，建立单模光纤与非对称波导耦合的数值模型，利用MATLAB软件编写相关程序，仿真研究微透镜[2][3]的结构参数以及波导的结构参数对耦合效率的影响。仿真结果显示：光纤与非对称波导耦合时，在对准情形下，耦合效率通过微透镜,经过波导对光子的选择作用，利用全反射理论，通过仿真和MATLAB进行数值模拟，可以确定一个最佳球半径的微透镜与波导耦合，使其耦合效率达到最大值。关键词折反射定律光

2、线追迹耦合效率MATLAB软件目录1引言11.1研究背景11.2国内外光纤通信技术的研究及趋势11.3国内外研究状况及发展趋势11.4毕业设计课题的目的和意义21.5本课题主要研究内容22基本理论及方法介绍32.1折射定律32.2反射定律32.3MATLAB软件42.4光线在波导中的传输理论53模型构建73.1光纤与非对称波导耦合的物理模型73.2影响耦合效率的因素83.3光线追迹83.4统计有效光子并计算耦合效率104模拟结果分析124.1波导端面位于几何焦平面124.2波导端面位于束腰面144.3章小结165结论171引言1.1研究背景在光纤通信网络中，器件间光功率的耦合效率始

3、终是人们必须面对和解决的问题。在光纤与非对称波导的光耦合系统中，光纤端接微透镜有着得天独厚的优势，用光纤微透镜，可以使得结构紧凑、耦合效率较高、成本较低；缺点是它们的偏移容差很小，并且工作距离（光纤－波导端面间距）短，还不太利于批量生产。另外会聚光束通过光阑发生焦移现象。在光纤与波导耦合系统中，光束通过微透镜聚焦后聚焦光束的束腰位置不再在设计焦平面上。如果端接微透镜是球型时，球差对耦合效率的影响不可低估。因此对这些问题的分析和研究，在光纤与波导耦合系统中，有着重要的指导意义。1.2国内外光纤通信技术的研究及趋势回顾光纤通信的发展历程，在70年代，光纤通信由起步到逐渐成熟。到70年代

4、末，第一代（速率为数十Mb/s、0.85μm波段、多模光纤通信系统）开始商用。在80年代，光纤通信得到长足的发展。在这个时期，光纤通信迅速由0.85μm波段转向1.3μm波段，由多模光纤转向单模光纤。第二代光纤通信系统（1.3μm波段单模光纤系统）如雨后春笋般在世界各地建立起来，显示出光纤通信低损耗、大容量的优势和强大的竞争力，并很快替代电缆通信，成为电信网中主要的传输手段。1.3国内外研究状况及发展趋势目前计算这种对接耦合[4][5]17系统耦合效率的方法主要是利用重叠积分方法：将聚焦光束的广场分布视为光纤的模场分布，定义耦合效率为光纤模场分布与波导模场分布的重叠积分值。由于在光

5、纤与波导对接耦合系统中，光纤是关于光轴旋转对称的，波导则是不旋转对称的，因此这种定义耦合效率的方法就失去了效用。蒙特卡罗方法所获得的问题的解实质上更接近于物理实验结果，而不是经典数值计算的结果。因此利用蒙特卡罗方法对光纤与非对称波导耦合的仿真研究的结果对实际应用有着重大的指导意义。1.4毕业设计课题的目的和意义目的：选择这个课题在于学习光纤与非对称波导对接耦合的基本知识，了解光纤与波导耦合的耦合理论，学习MATLAB软件，学习利用MATLAB建模的方法，丰富自己的知识理论，将所学的理论与实际结合，提高自己的动手能力和实验能力，培养创新能力。意义：随着技术的发展，各种类型集成光学器件

6、被应用于光纤通信系统中。大部分集成光学器件都是以光波导为基础的。然而光纤中的模场与光波导的模场分布存在大小和形状上的失配，因而如果他们直接耦合，耦合效率非常低。目前，光纤端面球形微透镜在耦合系统中应用较为广泛，减小光纤与波导模式的失配，从而提高耦合效率，由于光纤端面微透镜的结构尺寸很小，衍射效应和非傍轴效应显著，这些因素对聚焦光束的束腰位置、光强分发布及光斑尺寸的影响不可低估。因此对这些问题的分析和研究在光纤与波导耦合系统中有着重要的知道意义。1.5本课题主要研究内容1.学习光纤与波导耦合的理论，学习MATLAB软件。2.利用蒙特卡罗方法，建立了光纤通过光纤端面微透镜与非对称波导耦

7、合的数值模型。3.利用此模型，对光纤与非对称波导耦合的耦合效率进行仿真研究。4.分析仿真结果，给出研究结论。172基本理论及方法介绍2.1折射定律折射定律（lawofrefraction）或斯涅尔定律（Snell'sLaw）由荷兰数学家斯涅尔发现，是在光的折射现象中，确定折射光线方向的定律。当光由第一媒质（折射率n1）射入第二媒质（折射率n2）时，在平滑界面上，部分光由第一媒质进入第二媒质后即发生折射。（如图2-1）实验指出：（1）折射光线位于入射光线和界面法线所决定